溝付円板または溝付き円筒容器の成形方法

【課題】溝付円板または溝付円筒容器の冷間成形にて割れを防止する成形法を提供すること。
【解決手段】中央部に凹部を持つパンチと中央部に凸部を持つダイスの間に被加工材を挟み、パンチを被加工材に押し込んで被加工材の中央部に凸部を成形し、引続き、リング状の凸部を持つパンチと中央部に凸部を持つダイスの間に被加工材を挟んだ状態でリング状のダイスを押し込んで溝部を成形して溝付円板とする。次いで、冷間成形した溝付円板をリング状のダイス上に置き、円柱状のパンチを押し込んで縦壁部を冷間成形することで溝付円筒容器とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円板状の被加工材を溝付円板または溝付円筒容器に冷間成形する成形方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被加工材をパンチとダイスの間に挟み、パンチを被加工材に押し込んで成形することは周知である（例えば、特許文献１〜３参照）。また、リング状の溝部を有する円板の成形方法において、円板状の被加工材をリング状の凸部を持つパンチとリング状の凹部を持つダイスの間に挟み、パンチを被加工材に押し込んで溝部を成形することも周知である。そして、そのようにして成形した溝付円板の端部を曲げて円筒容器が成形されている。上述した成形では、リング状の凸部を持つパンチとリング状の凹部を持つダイスの間に円板状の被加工材を挟んだ状態で溝を成形する際に、割れが発生するという問題があった。
【０００３】
また、成形時に破壊が生じるかどうかについての延性破壊条件式は、非特許文献１に種々の条件式が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１００２４１号公報
【特許文献２】特開２００８−２３５３５号公報
【特許文献３】特開平１１−１２９０３５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「静的解法ＦＥＭ−バルク加工」、日本塑性加工学会編、コロナ社、２００３年１１月２８日初版第１刷発行、Ｐ１２１〜Ｐ１２２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、円板状の被加工材を冷間成形して溝付円板または溝付円筒容器に冷間成形する際に発生する割れを防止する成形方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは円板状の被加工材に溝部を成形することで発生する割れ防止方法について鋭意検討を行った。その結果、図２に示すように中央部に凹部２２ａを持つパンチ２２と中央部に凸部２３ａを持つダイス２３の間に被加工材２１を挟み、パンチ２２を被加工材２１に押し込んで被加工材の中央部に凸部２４ａを成形し、引続き、図３に示すようにリング状の凸部３２ａを持つパンチ３２と中央部に凸部３３ａを持つダイス３３の間に被加工材３１を挟んだ状態でリング状のダイス３４を押し込んで溝部を成形することで割れが防止できることを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
本発明の要旨は、次の通りである。
【０００９】
（１）中央部に凹部を持つパンチと中央部に凸部を持つダイスの間に被加工材を挟み、パンチを被加工材に押し込んで被加工材の中央部に凸部を成形し、引続き、リング状の凸部を持つパンチと中央部に凸部を持つダイスの間に被加工材を挟んだ状態でリング状のダイスを押し込んで溝部を冷間成形することを特徴とする溝付円板の成形方法。
【００１０】
（２）円板状の被加工材をリング状の凸部を持つパンチとリング状の凹部を持つダイスの間に挟み、パンチを被加工材に押し込んで溝部を成形する際に、有限要素法を用いて破断解析を行い、破断しない判定が得られた場合は前記成形で溝部の冷間成形を行い、破断する判定が得られた場合、上記（１）記載の中央部に凹部を持つパンチと中央部に凸部を持つダイスの間に被加工材を挟み、パンチを被加工材に押し込んで被加工材の中央部に凸部を成形し、引続き、リング状の凸部を持つパンチと中央部に凸部を持つダイスの間に被加工材を挟んだ状態でリング状のダイスを押し込んで溝部を冷間成形することを特徴とする溝付円板の成形方法。
【００１１】
（３）上記（１）または（２）記載で冷間成形した溝付円板をリング状のダイス上に置き、円柱状のパンチを押し込んで縦壁部を冷間成形することを特徴とする溝付円筒容器の製造方法。
【００１２】
（４）上記（２）記載の破断解析において延性破壊条件式を用いることを特徴とする溝付円板の成形方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、円板状の被加工材を溝付円板または溝付円筒容器に冷間成形する際に、割れの発生を防止する成形方法を提供することができ、例えば、車両部品、産業機器等に使用される溝付円板および溝付円筒容器の成形に好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】溝付円板を成形する過程を示す断面図である。
【図２】円板の中央部に凸部を成形する過程を示す断面図である。
【図３】溝付円板を成形する過程を示す断面図である。
【図４】第１実施例に係わり、本発明にて円板の中央部に凸部を成形する過程を示す断面図である。
【図５】第１実施例に係わり、本発明にて溝付円板を成形する過程を示す断面図である。
【図６】第１実施例に係わり、本発明にて溝付円筒容器を成形する過程を示す断面図である。
【図７】第１実施例に係わり、従来技術にて溝付円板を成形する過程を示す断面図である。
【図８】第２実施例に係わり、従来技術にて溝付円板を成形する過程を示す断面図である。
【図９】有限要素法による損傷値分布である。
【図１０】第２実施例に係わり、本発明にて円板の中央部に凸部を成形する過程を示す断面図である。
【図１１】第２実施例に係わり、本発明にて溝付円板を成形する過程を示す断面図である。
【図１２】第２実施例に係わり、本発明にて溝付円筒容器を成形する過程を示す断面図である。
【図１３】第３実施例に係わり、従来技術にて溝付円板を成形する過程を示す断面図である。
【図１４】有限要素法による損傷値分布を示す図である。
【図１５】第３実施例に係わり、溝付円筒容器を成形する過程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下本発明の実施態様について図を用いて詳細に説明する。
【００１６】
溝付円板の成形では、通常、図１の溝付円板を成形する過程を示す断面図のように、円板状の被加工材をリング状の凸部１２ａを持つパンチ１２とリング状の凹部１３ａを持つダイス１３の間に挟み、パンチ１２を被加工材に押し込んで溝部を成形している。このような成形において、Ｓ５０Ｃ鋼で直径が１２０ｍｍ、板厚が２ｍｍの円板状の被加工材に溝部を成形した結果、割れが発生しなかったが、板厚が３ｍｍの厚い円板１１を用いて成形すると溝部に割れ１４ａが発生した。
【００１７】
本発明者らは割れ発生の原因を検討した結果、被加工材の板厚が厚くなると、外表面で曲げによる応力が大きくなることに加えて、ダイスの肩Ｒ部１３ｂ及び肩Ｒ部１３ｃで拘束された状態でパンチ１２の凸部１２ａで押し込まれて成形されるため引張変形による引張応力も作用し、曲げの外側で引張応力が過大になり割れることを突き止めた。
【００１８】
そこで、本発明者らは円板状の被加工材に溝部を成形することで発生する割れ防止方法について鋭意検討を行った結果、図２に示すように中央部に凹部２２ａを持つパンチ２２と中央部に凸部２３ａを持つダイス２３の間に被加工材２１を挟み、パンチ２２を被加工材２１に押し込んで被加工材の中央部に凸部２４ａを成形して成形品２４とし、引続き、図３に示すようにリング状の凸部３２ａを持つパンチ３２と中央部に凸部３３ａを持つダイス３３の間に被加工材３１を挟んだ状態でリング状のダイス３４を押し込んで溝部を成形して溝付円盤３５とすることで割れが防止でき、また、溝付円板の端部を曲げて成形することで、割れが発生することなく円筒容器に成形できることを見出した。
【００１９】
但し、溝の深さが浅い場合や溝の曲げ半径が大きい場合には、図１に示す１回の成形で溝の成形が可能である。そこで、本発明においては、有限要素法を用いて図１に示す成形の成形解析を行い、延性破壊条件式を用い破断判定を行い、割れる判定が得られた場合は、図２及び図３に示す２回成形を行い、割れない判定が得られた場合は図１に示す成形を行う。
【００２０】
延性破壊条件式は、非特許文献１のＰ１２１〜Ｐ１２２にあるように、以下に示す種々の条件式が提案されているが、特に条件式を限定するものではない。
【００２１】
ＣｏｃｋｃｒｏｆｔａｎｄＬａｔｈａｍの延性破壊条件式
【数１】

【００２２】
Ｊｅｏｎｇの延性破壊条件式
【数２】

【００２３】
大矢根の延性破壊条件式
【数３】

【００２４】
上述のようにして成形した溝付円板を用いて円筒容器を成形するには、溝付円板をリング状のダイス上に置き、円柱状のパンチを押し込んで縦壁部を冷間成形する。
【実施例】
【００２５】
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。
【００２６】
＜実施例１＞
板厚３．２ｍｍのＳ５０Ｃの鋼板から直径１２０ｍｍの円板に剪断加工したものを被加工材とした。図４に示すように中央部に凹部４２ａを持つパンチ４２と中央部に凸部４３ａを持つダイス４３の間に被加工材４１を挟み、パンチ４２を被加工材４１に押し込んで被加工材の中央部に凸部４４ａを成形してプレス成形品４４とした。その後、図５に示すようにリング状の凸部５２ａを持つパンチ５２と中央部に凸部５３ａを持つダイス５３の間に被加工材５１を挟んだ状態でリング状のダイス５４を押し込んで溝部を成形した結果、割れの無い溝付円板５５を成形できた。
【００２７】
上記溝付円板６１を図６に示すリング状のダイス６３の上の置き、円柱状のパンチ６２を押し込んで成形することで溝付円筒容器６４が成形できた。
【００２８】
比較例として、板厚３．２ｍｍのＳ５０Ｃの鋼板から直径１２０ｍｍの円板に剪断加工したものを被加工材とし、図７に示すリング状の凸部７２ａを有するパンチ７２とリング状の凹部７３ａを有するダイス７３を用いて、ダイスの肩Ｒ部７３ｂ及び肩Ｒ部７３ｃで拘束された状態でパンチ７２の凸部７２ａで押し込んで被加工材７１を成形して溝付円盤７４とした結果、割れ７４ａが発生した。
【００２９】
＜実施例２＞
板厚４ｍｍのＳ３５Ｃの鋼板から直径１２０ｍｍの円板に剪断加工したものを被加工材とした。図８に示すリング状の凸部８２ａを有するパンチ８２及びリング状の凹部８３ｂを有するダイス８３を用い被加工材８１を成形して、溝付円盤８４とする工程を有限要素法を用いて破断解析を行った。延性破壊条件式はＪｅｏｎｇの延性破壊条件式を用いた。破壊基準値はＳ３５Ｃの鋼板からＪＩＳ５号試験片を加工し、引張試験を行い、破断部の断面積Ａ_１を測定し、式（４）により求めた。
【００３０】
【数４】

【００３１】
上述の方法で求めたＳ３５Ｃの破壊基準値は０．８０であった。ＦＥＭ解析による式（５）で示す損傷値ｄの分布を図９に示す。
【００３２】
【数５】

【００３３】
図９に矢印で示す箇所の損傷値は０．８３であり、破壊基準値０．８０を超え、破断する結果になった。そこで、図１０示すように中央部に凹部１０２ａを持つパンチ１０２と中央部に凸部１０３ａを持つダイス１０３の間に被加工材１０１を挟み、パンチ１０２を被加工材１０１に押し込んで被加工材の中央部に凸部１０４ａを成形した。引続き、図１１に示すようにリング状の凸部１１２ａを持つパンチ１１２と中央部に凸部１１３ａを持つダイス１１３の間に被加工材１１１を挟んだ状態でリング状のダイス１１４を押し込んで溝部を成形した結果、割れの無い溝付円板１１５を成形できた。
【００３４】
上記溝付円板１２１を図１２に示す円柱状のダイス１２３の上に置き、円柱状のパンチ１２２を押し込んで成形することで溝付円筒容器１２４が成形できた。
【００３５】
比較例として、板厚４ｍｍのＳ３５Ｃの鋼板から直径１２０ｍｍの円板に剪断加工したものを被加工材８１とし、図８に示すパンチ８２とダイス８３を用いて成形した結果、ＦＥＭで予測した箇所に割れが発生した。
【００３６】
＜実施例３＞
板厚４ｍｍのＳ３５Ｃの鋼板から円板に剪断加工したものを被加工材とした。図１３に示すパンチ１３２及びダイス１３３を用い被加工材１３１を成形する工程を有限要素法を用いて破断解析を行った。延性破壊条件式はＪｅｏｎｇの延性破壊条件式を用いた。Ｓ３５Ｃの破壊基準値は０．８０である。式（５）で定義する損傷値の分布を図１４に示す。損傷値は０．８未満であるので破断しない結果になった。そこで、図１３に示すパンチ１３２とダイス１３３を用い成形した結果、割れの無い溝付円板１３４を成形することができた。上記溝付円板１５１を図１５に示すリング状のダイス１５３の上に置き、円柱状のパンチ１５２を押し込んで成形することで溝付円筒容器１５４が成形できた。
【００３７】
以上の実施例に述べたように、本発明によれば、円板状の被加工材（例えば、薄鋼板）を溝付円板または溝付円筒容器に冷間成形する際に、割れの発生を防止することができた。
【符号の説明】
【００３８】
１１・・被加工材、１２・・パンチ、１２ａ・・パンチに加工したリング状の凸部、
１３・・ダイス、１３ａ・・ダイスに加工したリング状の凹部、１３ｂ・・ダイスの肩Ｒ部、１３ｃ・・ダイスの肩Ｒ部、１４・・溝付円板、１４ａ・・被加工材で発生した割れ
２１・・被加工材、２２・・パンチ、２２ａ・・パンチに加工した凹部、２３・・ダイス、２３ａ・・ダイスに加工した凸部、２４・・プレス成形品、２４ａ・・被加工材に成形した凸部、３１・・被加工材、３２・・パンチ、３２ａ・・パンチに加工したリング状の凸部、３３・・ダイス、３３ａ・・ダイスに加工した凸部、３４・・ダイス、３５・・溝付円板、４１・・被加工材、４２・・パンチ、４２ａ・・パンチに加工したリング状の凸部、４３・・ダイス、４３ａ・・ダイスに加工したリング状の凹部、４４・・プレス成形品、４４ａ・・被加工材に成形した凸部、５１・・・被加工材、５２・・・パンチ、
５２ａ・・パンチに加工したリング状の凸部、５３・・ダイス、５３ａ・・ダイスに加工した凸部、５４・・ダイス、５５・・溝付円板、６１・・溝付円板、６２・・パンチ、６３・・ダイス、６４・・溝付円筒容器、７１・・被加工材、７２・・パンチ、７２ａ・・パンチに加工したリング状の凸部、７３・・ダイス、７３ａ・・ダイスに加工したリング状の凹部、７３ｂ・・ダイスの肩Ｒ部、７３ｃ・・ダイスの肩Ｒ部、７４・・溝付円板、７４ａ・・被加工材で発生した割れ、８１・・被加工材、８２・・パンチ、８２ａ・・パンチに加工したリング状の凸部、８３・・ダイス、８３ａ・・ダイスに加工したリング状の凹部、８４・・溝付円板、１０１・・被加工材、１０２・・パンチ、１０２ａ・・パンチに加工した凹部、１０３・・ダイス、１０３ａ・・ダイスに加工した凸部、１０４・・プレス成形品、１０４ａ・・被加工材の中央部の凸部、１１１・・被加工材、１１２・・パンチ、１１２ａ・・パンチに加工したリング状の凸部、１１３・・ダイス、１１３ａ・・ダイスに加工した凸部、１１４・・ダイス、１１５・・溝付円板、１２１・・溝付円板、１２２・・パンチ、１２３・・ダイス、１２４・・溝付円筒容器、１３１・・被加工材、１３２・・パンチ、１３３・・ダイス、１３４・・溝付円板、１５１・・溝付円板、１５２・・パンチ、１５３・・ダイス、１５４・・溝付円筒容器

【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部に凹部を持つパンチと中央部に凸部を持つダイスの間に被加工材を挟み、パンチを被加工材に押し込んで被加工材の中央部に凸部を成形し、引続き、リング状の凸部を持つパンチと中央部に凸部を持つダイスの間に被加工材を挟んだ状態でリング状のダイスを押し込んで溝部を冷間成形することを特徴とする溝付円板の成形方法。
【請求項２】
円板状の被加工材をリング状の凸部を持つパンチとリング状の凹部を持つダイスの間に挟み、パンチを被加工材に押し込んで溝部を成形する際に、有限要素法を用いて破断解析を行い、破断しない判定が得られた場合は前記成形で溝部の冷間成形を行い、破断する判定が得られた場合、請求項１記載の中央部に凹部を持つパンチと中央部に凸部を持つダイスの間に被加工材を挟み、パンチを被加工材に押し込んで被加工材の中央部に凸部を成形し、引続き、リング状の凸部を持つパンチと中央部に凸部を持つダイスの間に被加工材を挟んだ状態でリング状のダイスを押し込んで溝部を冷間成形することを特徴とする溝付円板の成形方法。
【請求項３】
請求項１記載または請求項２記載で冷間成形した溝付円板をリング状のダイス上に置き、円柱状のパンチを押し込んで縦壁部を冷間成形することを特徴とする溝付円筒容器の製造方法。
【請求項４】
請求項２記載の破断解析において延性破壊条件式を用いることを特徴とする溝付円板の成形方法。

【図１】